新型光驅動芯片有望加速人工智能和量子計算

莫納什大學的科學家們創造了一種新型微型電路，能夠在一個單一芯片內產生、引導和讀取由光攜帶的信息。這項進展標誌着名為“谷電子學”的研究領域邁出了重要一步，有望推動更快計算、更低能耗和量子技術的未來突破。

該器件由莫納什物理與天文學院的研究人員開發，結合了先進的納米技術與前沿材料，解決了多年來限制該領域發展的一個挑戰。研究團隊首次構建了一個完全集成的芯片，能夠生成特定的光信號、沿特定路徑引導這些信號，並在同一緊湊系統內將其轉換為電信號。

這些信號利用一種稱為“谷自由度”的量子屬性來存儲信息。科學家認為，這種獨特特性可能提供全新的編碼、傳輸和處理數據的方式。

集成谷電子芯片解決長期挑戰

首席作者遲力博士表示，這項成就解決了谷電子學研究中的一個主要障礙。他説：“直到現在，我們只能產生或探測這些信號，但無法在一個集成設備中完成所有操作。我們構建的是一個完整的片上系統，能夠以非常高的精度創建、路由和讀取這些信息。”

該器件依賴於僅有幾個原子厚的超薄材料，並與專門設計的納米結構配對，用於在極小的尺度上精確控制光。共同第一作者、莫納什大學研究員邢凱艦博士解釋説，團隊開發了一種組合這些組件的實用方法：“我們採用了一種直接的堆疊方法，將超薄材料與超表面集成，克服了直接在光子結構上生長材料的技術挑戰，並促進了谷電子學的進一步發展。”

室温光子技術

該技術最重要的優勢之一是它在室温下運行。許多量子系統需要極冷的環境，這使得它們在實際應用中更加困難和昂貴。資深作者、ARC未來學者、莫納什納米Meta組負責人任浩然博士表示，這項工作可以為新一代緊湊型光子器件鋪平道路，這些器件既可編程又高效。

據任博士稱，該技術可以支持更快的計算系統，降低能耗，併為安全通信和高級數據處理提供新方法。“這是向可擴展的、基於芯片的技術邁出的重要一步，這些技術使用光而不是電來處理信息，”任博士説，“光子器件利用光實現巨大的帶寬、超快的數據傳輸速度和更低的能耗，因此我們取得的成果在量子計算、先進成像和下一代光通信系統方面具有巨大的應用潛力。”

處理多路信息流

為了展示芯片的能力，研究人員成功編碼並處理了兩幅獨立的圖像。實驗表明，該設備可以同時管理多路信息流，這是未來計算技術的重要特徵。莫納什物理與天文學院院長、納米光子學實驗室負責人斯特凡·A·邁爾教授表示，這一發展有助於彌合基礎科學發現與實用技術之間的鴻溝。“這是向完全集成的谷電子系統邁出的重要一步，”邁爾教授説，“通過將光和量子材料結合在芯片上，我們可以獲得編碼和處理信息的新方法。”

這項國際合作項目彙集了來自澳大利亞、中國、新加坡、德國和日本的研究人員，結合了納米光子學、二維材料和光電子學領域的專業知識。